高樓外墻機(jī)器人移動(dòng)方案的設(shè)計(jì)及計(jì)算案例概述本課題在設(shè)計(jì)移動(dòng)方案時(shí)，主要考慮了豎直方向上的移動(dòng)，機(jī)器人的橫向移動(dòng)可以依靠樓頂?shù)陌踩Ｕ舷到y(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，同時(shí)依靠工人的觀察來實(shí)現(xiàn)定位。腿部的伸縮依靠絲桿升降機(jī)構(gòu)來完成。絲桿升降機(jī)構(gòu)、吸盤組和機(jī)器人框架三者剛性連接，真空發(fā)生器和各種閥門等零件全部放置在機(jī)器人的框架上，真空發(fā)生器與吸盤組之間的軟氣管均沿著機(jī)器人的框架合理分布，不會(huì)對機(jī)器人運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生影響，保證其能正常工作。機(jī)器人行走過程分解如下圖：圖1.2機(jī)器人行走過程分解圖黑色代表吸盤組的吸附，白色代表吸盤組放松。首先外框架吸附玻璃幕墻，內(nèi)框架移動(dòng)，同時(shí)完成清潔工作，當(dāng)內(nèi)框架移動(dòng)到頂端時(shí)，內(nèi)框架吸盤組吸附，外框架吸盤組放松并向上移動(dòng)，外框架移動(dòng)到頂端時(shí)，再循環(huán)這個(gè)過程，完成機(jī)器人本體的移動(dòng)和清潔任務(wù)。移動(dòng)傳動(dòng)鏈的設(shè)計(jì)及計(jì)算移動(dòng)單元的傳動(dòng)鏈設(shè)計(jì)如圖1.3，齒條固定在上殼體上并于齒輪3嚙合，齒輪1和齒輪2嚙合并通過軸固定在下殼體上，齒輪2通過軸與齒輪3相連。當(dāng)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，齒輪1帶動(dòng)齒輪2轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪2的軸帶動(dòng)齒輪3轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪3帶動(dòng)齒條移動(dòng)，從而使上殼體和下殼體產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng)，可以通過控制電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)來改變相對運(yùn)動(dòng)的方向，再配合吸盤的吸附與放松實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的移動(dòng)。圖1.3機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)鏈以下為傳動(dòng)鏈的計(jì)算：機(jī)器人輸出功率為：（1.1）取,，可得：電機(jī)通過資料查詢，試選擇一連體型電動(dòng)機(jī)，規(guī)格如下表：表1.4電動(dòng)機(jī)4IK25GC-60的規(guī)格電動(dòng)機(jī)型號(hào)4IK25GC-60額定輸出(W)25同步轉(zhuǎn)速(r/min)25減速比60電壓（V）220~230選擇傳動(dòng)比u=0.5，傳動(dòng)效率取=0.93。電動(dòng)機(jī)軸為0軸，另一軸為I軸，根據(jù)下列公式，即可求得轉(zhuǎn)速、功率和扭矩。（1.2）（1.3）（1.4）可得根據(jù)以上數(shù)據(jù)來計(jì)算各軸的直徑，通過扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度來估算各軸的直徑，即：（1.5）其中，P為軸傳遞的功率（kW），n為軸的轉(zhuǎn)速（r/min），A是由材料的許用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力所確定的系數(shù)，通過查取機(jī)械設(shè)計(jì)手冊取130。計(jì)算齒輪的過程如下：齒輪傳動(dòng)采用直齒圓柱齒輪，壓力角取20°，選用7級精度，材料選擇為40Cr（調(diào)制），初選小齒輪齒數(shù)z1=26，大齒輪齒數(shù)z2=z1·u=52。按照齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)：計(jì)算小齒輪的分度圓直徑：（1.6）其中，=1.3，T為傳遞的轉(zhuǎn)矩，為齒寬系數(shù)=1，u為傳動(dòng)比，為區(qū)域系數(shù)，計(jì)算為1.5，為材料的彈性影響系數(shù)，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊大小為189.8MPa，為接觸疲勞強(qiáng)度用重合度系數(shù)，計(jì)算為0.873，為接觸疲勞許用應(yīng)力，計(jì)算為500.5MPa。將數(shù)據(jù)帶入即可得到小齒輪分度圓直徑為：。之后調(diào)整分度圓直徑。過程如下:計(jì)算圓周速度：（1.7）計(jì)算齒寬：（1.8）計(jì)算實(shí)際載荷系數(shù):查表得使用系數(shù)=1,根據(jù)v和7級精度，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊得動(dòng)載荷系數(shù)。查齒間載荷分布系數(shù)。查齒向載荷分布系數(shù)。由此得到實(shí)際載荷系數(shù)：（1.9）按照實(shí)際載荷系數(shù)算的分度圓直徑：（1.10）及相應(yīng)的齒輪模數(shù)：（1.11）根據(jù)齒根彎曲疲勞強(qiáng)度試算模數(shù)即：（1.12）計(jì)算公式中各參數(shù)值：試選=1.3。計(jì)算彎曲疲勞強(qiáng)度用重合系數(shù)：（1.13）計(jì)算通過查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊得齒形系數(shù)1.65，1.23；應(yīng)力修正系數(shù)1.58，1.76；齒根彎曲疲勞強(qiáng)度500MPa，1320MPa，彎曲疲勞壽命系數(shù)0.85，0.88，彎曲疲勞安全系數(shù)取1.4，可計(jì)算得到：試算模數(shù)，將以上數(shù)據(jù)帶入式子（4.12）可得：之后再調(diào)整齒輪模數(shù)，過程如下：計(jì)算圓周速度：（1.14）（1.15）計(jì)算齒寬：（1.16）計(jì)算寬高比：（1.17）（1.18）計(jì)算實(shí)際載荷系數(shù):根據(jù)圓周速度及7級精度，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊得動(dòng)載系數(shù)1.08；查得齒間載荷分配系數(shù)為1.0；根據(jù)寬高比查表得接觸應(yīng)力齒向載荷分布系數(shù)1.316和彎曲應(yīng)力齒向載荷分布系數(shù)1.276。將以上數(shù)據(jù)相乘可得：按照實(shí)際載荷系數(shù)算得齒輪模數(shù)：（1.19）及相應(yīng)得小齒輪分度圓直徑：（1.20）通過對比結(jié)果，由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)和小齒輪分度圓直徑分別大于由齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的。由于齒輪模數(shù)得大小主要取決于齒根彎曲疲勞強(qiáng)度，而齒輪直徑得大小主要取決于齒面接觸疲勞強(qiáng)度，可取由彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算得到得模數(shù)0.99mm并就近取1mm，按接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算得到的分度圓直徑36.2mm，算的小齒輪齒數(shù)。取，則大齒輪齒數(shù)。則可得以下設(shè)計(jì)結(jié)論：表1.5移動(dòng)單元齒輪副的設(shè)計(jì)結(jié)論齒數(shù)模數(shù)（mm）壓力角（°）中心距（mm）齒寬（mm）材料精度小齒輪36120544040Cr（調(diào)質(zhì)）7級精度大齒輪721203645鋼（調(diào)質(zhì)）7級精度腿部伸縮機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及計(jì)算對于腿部的伸縮機(jī)構(gòu)采用絲桿升降機(jī)構(gòu)來完成，錐齒輪絲桿升降機(jī)主要特點(diǎn)為安裝使用方便，效率高，體積不大，重量小，噪音小，可靠性好等。并且錐齒輪絲桿升降機(jī)還具有自鎖功能，它能按程序準(zhǔn)確的控制調(diào)整提升或降低高度。絲桿升降機(jī)工作平臺(tái)是由一臺(tái)或多臺(tái)絲桿升降機(jī)組成，由一臺(tái)電機(jī)(或手輪)帶動(dòng)，配合其他組件來達(dá)到同步平穩(wěn)升降，因?yàn)殡姍C(jī)每分鐘的轉(zhuǎn)速都有速差，如果采用多臺(tái)驅(qū)動(dòng)很難達(dá)到同步穩(wěn)定。因此絲桿升降機(jī)工作平臺(tái)不管是幾臺(tái)升降機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)都應(yīng)盡量采用一臺(tái)電機(jī)來完成，升降機(jī)的四臺(tái)聯(lián)動(dòng)有T型、U型、和H型可選，H型發(fā)展型和2H型多臺(tái)組合，本次設(shè)計(jì)采用H型方案。圖1.3H型絲桿升降機(jī)工作平臺(tái)由于外框架的伸縮腿部和內(nèi)框架的伸縮腿部的伸縮方向正好相反，因此為了減輕機(jī)器人的總體重力，外框架的伸縮腿部采用H型的絲桿升降機(jī)工作平臺(tái)，內(nèi)框架的伸縮腿則采用彈簧來完成伸縮。當(dāng)機(jī)器人處于清潔工作時(shí)，外框架吸盤吸附墻壁，內(nèi)框架吸盤不接觸墻壁，此時(shí)外框架腿部長度為520mm，內(nèi)框架腿部長度380mm，彈簧處于放松狀態(tài)；當(dāng)機(jī)器人